200 mm厚度GS30Mn5鋼驅(qū)動(dòng)軸焊接工藝研究

劉須收，李曉煥，吳建英

（中信重工機(jī)械股份有限公司，河南 洛陽471039）

200 mm厚度GS30Mn5鋼驅(qū)動(dòng)軸焊接工藝研究

劉須收，李曉煥，吳建英

（中信重工機(jī)械股份有限公司，河南 洛陽471039）

為了提高200 mm厚度GS30Mn5特殊材質(zhì)驅(qū)動(dòng)軸的焊接質(zhì)量以及焊接接頭與母材的匹配度，對(duì)GS30Mn5鋼進(jìn)行了埋弧焊接試驗(yàn)及焊接工藝評(píng)定。評(píng)定結(jié)果顯示，焊接接頭拉伸、彎曲、沖擊、維氏硬度檢測結(jié)果及宏觀檢查均滿足EN15614－1標(biāo)準(zhǔn)要求。研究表明，選擇合適的焊接材料及焊接工藝，并嚴(yán)格控制熱輸入，可獲得良好的焊接接頭，從而達(dá)到與母材強(qiáng)度的良好匹配，降低焊接裂紋傾向；該試驗(yàn)形成的焊接工藝指導(dǎo)書用于指導(dǎo)車間焊接生產(chǎn)，效果良好。

GS30Mn5鋼；焊接材料；焊接工藝評(píng)定

某公司生產(chǎn)的材質(zhì)為GS30Mn5的驅(qū)動(dòng)軸，單重95 266 kg。整根軸由5段單獨(dú)的空心軸體焊接而成，焊接坡口深度200 mm，坡口形式為加襯墊的單面U形坡口。對(duì)焊縫進(jìn)行100%超聲波及滲透探傷，分別符合EN1712標(biāo)準(zhǔn)L3級(jí)和ASTM A903標(biāo)準(zhǔn)L2級(jí)要求。GS30Mn5是德國牌號(hào)，相當(dāng)中國牌號(hào)30Mn2，優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，含碳量比低碳鋼高，屬于中低含碳量。該鋼韌性較好，但是表面耐磨性不夠，往往需要表面強(qiáng)化處理，比如滲碳、氮化處理。表面強(qiáng)化處理前一般需進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)后具有高強(qiáng)度、韌性及耐磨性，靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度良好。GS30Mn5多用作小截面的重要緊固件，也可用作車架縱梁、變速箱齒輪、軸、冷鐓螺栓及較大截面的調(diào)質(zhì)件及礦山機(jī)械中，中心強(qiáng)度要求較高的滲碳件，如起重機(jī)后車軸和軸頸等。

為保證焊接質(zhì)量，對(duì)GS30Mn5鋼的焊接性進(jìn)行了分析，根據(jù)碳當(dāng)量[1-3]，確定了合適的預(yù)熱溫度[4-6]，并按照EN15614-1標(biāo)準(zhǔn)[7]進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，根據(jù)評(píng)定結(jié)果形成焊接規(guī)范參數(shù)，用于指導(dǎo)驅(qū)動(dòng)軸的焊接制造。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 焊接性分析

試驗(yàn)?zāi)覆腉S30Mn5鋼的化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

表1GS30Mn5試驗(yàn)用鋼化學(xué)成分 %

表2 GS30Mn5試驗(yàn)用鋼的力學(xué)性能

國際焊接學(xué)會(huì)推薦的冷裂紋敏感指數(shù)和碳當(dāng)量計(jì)算公式為

由式（1）和式（2）可知， GS30Mn5 鋼碳當(dāng)量及冷裂紋敏感指數(shù)分別為0.43%～0.6%和0.33%～0.43%，大于臨界值0.40%和0.20%，具有一定的淬硬和冷裂傾向。若工藝不合理，則在焊接熱影響區(qū)可能會(huì)產(chǎn)生大量馬氏體，導(dǎo)致焊縫區(qū)脆化，增大了焊接接頭的冷裂傾向。

由于坡口深度為200 mm，屬于厚板焊接，焊接過程中會(huì)產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力，加上該結(jié)構(gòu)拘束度大，在焊接殘余應(yīng)力作用下極易產(chǎn)生焊接裂紋，使焊接難度增大。

1.2 焊接方法及焊接材料

本焊接試驗(yàn)采用埋弧焊自動(dòng)焊焊接工藝方法，具體為將焊槍及控制系統(tǒng)懸掛到操作機(jī)機(jī)頭上，并配合埋弧焊電源進(jìn)行焊接。根據(jù)表2并結(jié)合焊縫與母材等強(qiáng)匹配要求，選用牌號(hào)為CHWS7和CHF113的埋弧焊絲和焊劑。焊劑按照材質(zhì)證明書進(jìn)行烘干處理，烘干溫度350℃，保溫120 min。焊材熔敷金屬相關(guān)力學(xué)性能見表3。

表3 焊接材料熔敷金屬力學(xué)性能

1.3 焊接坡口形式及焊接規(guī)范

根據(jù)厚板焊接特點(diǎn)，坡口設(shè)計(jì)如圖1所示。坡口為U形，根部間隙4 mm，鈍邊1.5 mm，根部圓弧半徑為R10，夾角20°。采用埋弧焊接，焊接順序?yàn)閱蚊娑鄬佣嗟篮福附禹樞蛉鐖D2所示，焊接規(guī)范參數(shù)見表4。

圖1 焊接坡口形式

圖2 焊接順序示意圖

表4 焊接參數(shù)

2 焊接難點(diǎn)控制

2.1 預(yù)熱溫度的確定

由于GS30Mn5鋼的碳當(dāng)量及冷裂紋敏感指數(shù)高，易產(chǎn)生焊接裂紋，因此焊前必須預(yù)熱。其目的是為了降低焊接接頭的冷卻速度，減少馬氏體產(chǎn)生的幾率，從而改善焊接接頭組織，以降低產(chǎn)生冷裂紋的幾率。根據(jù)預(yù)熱溫度經(jīng)驗(yàn)公式（T=碳當(dāng)量×360 ℃）[8]可知， GS30Mn5鋼的預(yù)熱溫度為154.8～216℃，由于焊接坡口深度為200 mm，拘束度大，為保證焊接接頭不出現(xiàn)焊接裂紋，本次焊接試驗(yàn)選擇預(yù)熱溫度為200℃。

2.2 焊后緩冷

焊后立即用石棉布包裹焊接試板，以降低焊接接頭的冷卻速度，從而減少馬氏體產(chǎn)生的幾率，降低冷裂紋傾向。

3 焊接工藝評(píng)定

按照EN145614－1標(biāo)準(zhǔn)制備焊接試板，并進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，焊后按照EN1712的L3級(jí)和ASTM A903的L2級(jí)進(jìn)行超聲波和著色探傷，探傷結(jié)果均達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求。探傷合格后對(duì)焊接試板進(jìn)行整體進(jìn)爐去應(yīng)力退火，退火結(jié)束后對(duì)焊接試板進(jìn)行破壞性試驗(yàn)。

3.1 縮截面拉伸試驗(yàn)

按照EN895標(biāo)準(zhǔn)制作縮截面板狀拉伸試樣，共2組試樣，分別為1-1、1-2、1-3、1-4，和2-1、2-2、2-3、2-4，每組試樣的取樣位置包含整個(gè)試板的厚度200 mm，并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可知，焊接接頭強(qiáng)度與母材相匹配，且高于母材規(guī)定的最低值540 MPa，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.2 導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)

按照EN895標(biāo)準(zhǔn)制作彎曲試樣，共4組試樣，分別為 3-1、3-2、3-3、3-4， 4-1、4-2、4-3、 4-4， 5-1、 5-2、 5-3、 5-4， 6-1、 6-2、6-3、6-4，每組試樣的取樣位置包含整個(gè)試板的厚度200 mm，并進(jìn)行導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)，彎曲類型為側(cè)彎，彎曲角度180°，壓頭直徑40 mm，試驗(yàn)結(jié)果見表6。由表6可知，焊接接頭彎曲試樣表面未出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3.3 夏比沖擊試驗(yàn)

按照EN151614標(biāo)準(zhǔn)確定沖擊試樣的位置，共4組試樣，焊縫表面、焊縫中間厚度各1組，試樣編號(hào)分別為7、8、9，10、11和12，熱影響區(qū)表面、熱影響區(qū)中間厚度各1組，試樣編號(hào)分別為13、14、15、16、17和18，按照EN1875標(biāo)準(zhǔn)確定試樣的尺寸10 mm×10 mm×55 mm，試驗(yàn)方法為擺錘沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。由表7可知，焊縫及熱影響區(qū)的沖擊吸收功均高于母材規(guī)定的最低值（25 J），符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表7 夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.4 宏觀檢查

按照EN1321標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊件進(jìn)行宏觀檢查，未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣、裂紋、未熔合等焊接缺陷，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.5 維氏硬度試驗(yàn)

按照EN1043－1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行硬度試驗(yàn)，各硬度點(diǎn)之間的距離為1 mm，由于硬度點(diǎn)太多，位置圖上只標(biāo)示主要的位置點(diǎn)，如圖3所示，試驗(yàn)結(jié)果見表8和表9。從表8可以看出，硬度試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求（≤380HV10）。

圖3 硬度測試位置示意圖

表8 硬度檢測結(jié)果（前面）

表9 硬度檢測結(jié)果（背部）

4 產(chǎn)品應(yīng)用情況

通過焊接工藝評(píng)定形成的焊接指導(dǎo)書，用于指導(dǎo)車間產(chǎn)品焊接。經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)焊縫外觀良好，焊后探傷的一次合格率可以達(dá)到100%，焊縫外觀如圖4所示，沒有明顯的缺陷，達(dá)到預(yù)期效果。

圖4 產(chǎn)品焊縫外觀

5 結(jié) 論

（1）采用埋弧焊焊接中碳鋼GS30Mn5，通過選擇合適的焊接材料及合理的焊接工藝，并嚴(yán)格控制熱輸入，獲得了良好的焊接接頭，MT、PT達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)EN1712的L3級(jí)和ASTM A903的L2級(jí)要求。

（2）按照EN15614－1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)中碳鋼GS30Mn5焊接接頭進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，其拉伸、彎曲、沖擊、硬度等試驗(yàn)結(jié)果及宏觀檢查均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到預(yù)期效果。

（3）通過焊接工藝評(píng)定形成的焊接工藝指導(dǎo)書，用于指導(dǎo)車間焊接生產(chǎn)，效果良好。

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Welding Technology Research of 200 mm Thickness GS30Mn5 Steel Driving Shaft

LIU Xushou,LI Xiaohuan，WU Jianying
（CITIC Heavy Industries Co.， Ltd.， Luoyang 471039， Henan， China）

In order to improve the welding quality of the 200 mm thickness GS30Mn5 special material driving shaft and the matching degree of the welded joint and base metal，the submerged arc welding test and welding procedure qualification for GS30Mn5 steel were carried out.The results indicated that the welded joint tensile，bending，impact，Vickers hardness test results and macroscopic examination all meet the requirements of EN15614 －1.According to the research，choosing the appropriate welding material and welding process and controlling the heat input strictly can obtain the good welded joint，achieve a good match with the strength of base metal and reduce the welding cracking tendency.The welding process instructor of this test was used to guide the welding production in the workshop and obtained good effect.

GS30Mn5 steel； welding material； welding procedure qualification

TG44

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.10.011

劉須收（1983—），男，碩士，主要從事焊接工藝評(píng)定、新材料、新產(chǎn)品的開發(fā)及研究工作。

2017－04－10

黃蔚莉